土木工程中的力學和結構概念

土木工程中的力學和結構概念土木工程解決的問題之一：建造抵御自然或人為作用的空間的通道——結構問題，力學術語4.1力、力矩和平衡力（Force）是一種物體間有方向的作用，有大小方向。可用矢量表示。重力：物體重量產生的作用力，方向指向地球中心，作用點在該物體的中心。力矩和平衡的概念AlexanderCalder提出的裝置力矩（Moment，土木中稱彎矩）：力×距離轉動平衡：對同一點所有力矩之和為0，即轉動效應之和為0。移動平衡：對同一物體所有力之和為0，即處于不移動的靜止狀態(tài)。力分為內力、外力和反力外力（ExternalForce）：例：重物放在獨木橋上，重物和獨木橋產生的自重都是外力。反力（ReactionForce）：例：橋身兩端支承處的支承力。4.2內力、外力和反力RRF內力（InternalForce）：例：橋身彎曲作用是由于內力。如將橋身切斷，會自由下落。橋身處于平衡狀態(tài)，即ΣM=0和ΣF=0。處于外力、反力和內力平衡狀態(tài)。RRF內力種類有5種：（1）產生拉伸變形的是拉力（Tension），一般以+N表示；（2）產生壓縮變形的是壓力（Compression），一般以-N表示；FFFF（3）產生彎曲變形的是彎矩（Moment），一般以M表示；（4）產生剪切變形的是剪力（Shear），一般以V表示；（5）產生扭曲變形的是扭矩（Torsion），一般以Mr表示；FFMMMrMr4.3荷載和作用荷載（Load）加在結構上的外力是由荷載引起的。確定荷載的種類和大小。土木工程的荷載有三類：（1）永久荷載定義：指在使用期間永久施加在結構上，其值不隨時間變化的荷載，也稱恒載（DeadLoad）。如：物體本身自重，隧道工程的土壓力和圍巖壓力。（2）可變荷載定義：指在使用期間施加在結構上的值隨時間變化的荷載，也稱活載（LiveLoad）。如：1)使用活載：樓面活載，人或家具2)車輛活載：移動荷載（MovingLoad）3)風載：（WindLoad）4)雪載：（SnowLoad）（3）偶然荷載定義：指在使用期間不一定出現，其值很大且持續(xù)時間很短的荷載。如：撞擊、爆炸荷載。在荷載（外力）作用下，結構產生內力和變形。變形有三種形式出現：（1）約束變形作用：溫差作用為典型（2）外加變形作用：地基沉陷作用（3）慣性作用地震作用約束變形作用

（溫差作用）法國戴高樂機場候機樓內部混凝土薄殼結構，外部鋼結構支撐冷暖變化使外部鋼結構每天變形1-2厘米，混凝土薄殼部位不斷受到磨損，導致穿透并塌落。中國體育博物館95%的墻體與80%的樓板裂縫貫通，開裂原因主要是砌墻用的建材強度不夠，受溫度影響發(fā)生變形以及受力不均導致地基不均勻沉降。

約束變形作用

（溫差作用+地基沉陷作用）總水平地震作用為其總重的5~8%慣性作用

（地震作用）地震對建筑物的破壞抗震設計方法與地震破壞程度免震建筑普通建筑物剛性連接免震建筑物柔性連接4.4結構和結構失效（1）結構的構件和類型結構的基本構件屋面板基本構件結構的基本構件有以下幾種：1)板（Slab,Plate）平面尺寸大而厚道小的受彎構件。按用途分為樓板、屋面板、基礎板和墻板等。2)梁（Beam）－受彎構件梁分類截面形式截面尺寸深梁、扁梁和變截面梁矩形梁、T形梁、倒T形梁、L形梁、Z形梁、槽形梁鋼梁、鋼筋混凝土梁、預應力混凝土梁、鋼與混凝土組合梁支承形式材料位置簡支梁、懸臂梁和連續(xù)梁等主梁、次梁、連梁、圈梁、過梁等3)柱（Column）－主要承受壓力，有時也同時承受彎矩的豎向構件。柱分類截面形式方柱、圓柱、管柱、矩形柱、工字形柱、H形柱、L形柱等石柱、磚柱、砌塊柱、木柱、鋼柱、鋼筋混凝土柱破壞特征材料受力短柱、長柱和中長柱軸心受壓柱和偏心受壓柱4)墻（Wall）受平行或垂直于墻面的豎向平面構件5)桿（Rod,Bar）承受軸向力的直線性構件6)拱（Arch）－曲線結構，承受軸向壓力。河北省井陘縣蒼巖山風景區(qū)，架設在峽谷峭壁上的蒼樓位于河北省井陘縣蒼巖山風景區(qū)，架設在峽谷峭壁上，原名蒼樓，是福慶寺的主體建筑之一，它以橋上建危樓的獨特造型，稱奇于世，橋長１５米，寬９米，單孔空腹式石拱橋，由２１道獨立弧券縱向排列而成。橋下有石階三百余級，拾級而上可達橋樓殿。樓殿建在石橋上，面寬五間，石橋建造年代為公元５８１－６００年。

7)殼（Shell）曲面形、小厚度、大跨度8)索（Cable）柔性鋼索9)膜（Membrane）薄膜材料建筑工程中的典型結構：1)墻體結構2)框架結構3)框架-筒體結構4)錯列桁架結構5)網架結構6)拱結構7)殼體結構8)空間折板結構9)鋼索結構網架結構西安城運村體育館廣州新體育館主場館內景網殼結構全國最大跨度的球殼—漳州后石電廠球形煤倉BPgasstationinGermanybyHeizIsler

Theshellisonly3inchesthick（1inch=25.4millimetres）薄殼結構悉尼歌劇院烏瞰圖悉尼歌劇院建筑物的外形由大平臺上十個巨型殼片組成，各種房間隱藏在它的內部，這些殼片如同花瓣似的指向天空，構成奇異的造型，給人以美的聯想。中國國家大劇院懸索結構1958年建成的美國耶魯大學溜冰館是典型的組合懸索結構。屋蓋結構由沿建筑物縱向軸豎立的中央鋼筋混凝土平面大拱和兩側的兩片預應力索網組成。曲面屋蓋造型極為美觀，外形有些象一只古怪的海龜似的甲殼動物。中央大拱的跨度近100m.兩片索網的承重索高端錨掛在鋼筋混凝土大拱上。另一端錨掛在縱向曲墻頂端的鋼筋混凝土曲梁上美國耶魯大學溜冰館入口處。大拱與曲梁的軸線均為平面拋物線。

華盛頓杜勒斯國際機場侯機樓。愛諾*沙里寧設計，1962年落成。候機樓有兩排巨型鋼筋混凝土柱子，一排稍高，一排稍底，在相對的柱子上張掛著40多米長的鋼索，鋼索上鋪屋面板。鋼索中部下垂，形成自然的曲線。候機樓為矩形平面，長182.5米,寬45.6米。1960年間，德國斯圖加特大學的井賴.奧托先生（FreiOtto）,先后于1962和1965年發(fā)表了研究膜結構的成果，并同帳篷制造廠商合作，做了一些帳篷式膜結構和鋼索結構，其中最受人注目的是1967年在蒙特利爾博覽會的西德館，其后在歐洲，尤其是德國，可以說是開了膜結構商業(yè)化的先河。1968年，美國紐約的建筑師布羅（DavisBrody)和哥倫比亞的大衛(wèi).蓋格教授合力爭取到了日本大阪世界博覽會美國館的設計權。索膜結構沙特利雅德體育場看臺張拉式膜結構挑蓬。該體育場外徑288m，看臺挑蓬由24個連在一起的形狀相同的單支柱帳篷式索膜結構單元組成。1970年建成的日本大阪萬國博覽會的富士集團廳采用氣承式膜結構（臨時建筑）是第一個現代意義的大跨度膜結構。同時參展的美國館也采用了氣肋式膜結構。充氣結構1988年建成的日本東京后樂園棒球場屋蓋是鋼索與氣承膜組成的索膜結構。該建筑是日本最大的室內體育場，地下兩層，地上6層，屋蓋直徑201m.屋蓋用雙層聚四氟乙烯玻璃纖維布制成，外膜厚0.8mm，內膜厚0.35mm，薄膜是用28根直徑為80mm、間距為8.5m雙向正交配置的鋼索支撐。屋頂總重406噸，面積28000平方米，平均每平方米重12.5kg,是日本最輕的屋頂。氣承式索—膜結構：在薄膜覆蓋的空間內充氣，利用內外氣差來承受荷載，并與鋼索共同形成結構。鳥巢場館國家體育館圣路易斯國際機場St.LouisInternationalAirport

（2）結構和材料的關系應力應變彈性模量強度變形（3）結構和地基的關系地基土的種類：6種對基礎和地基的認識：基礎的種類淺基礎：獨立、條形、片筏基礎深基礎：箱形基礎、樁基礎（見下頁）淺基礎什么是淺基礎？位于天然地基上、埋置深度小于5米的一般基礎以及埋置深度雖然超過5米，但小于基礎寬度的大尺寸基礎。淺基礎可以做在人工地基上。淺基礎優(yōu)點：用料省，施工設備和工藝簡單，工期短、造價低。設計要優(yōu)先考慮。剛性基礎通常由磚、毛石、素混凝土和灰土等材料做成，是一種無筋擴展基礎。灰土－三分石灰和七分粘性土，北方地區(qū)使用較多三合土－灰土中加入適量水泥，南方地區(qū)使用較多人工地基擴展基礎剛性基礎不能滿足力學要求時，可以做成鋼筋混凝土基礎，稱為擴展基礎?；炷粱A的截面可以是錐形、臺階形和有肋等多種形式。淺基礎的結構形式（1）獨立柱基礎（2）條形基礎（3）筏板基礎（鋼筋綁扎）（4）殼體基礎：改善基礎受力性能，對機械設備有良好的減振性能(5)箱形基礎

深基礎什么是深基礎？位于地基深處承載力較高的土層上，埋置深度大于5米或大于基礎寬度的基礎，稱為深基礎。(1)樁基礎發(fā)展：早在12000年至14000年時，人類就已經開始利用木樁建造房屋。采用條件和分類：某高層建筑群樁基礎斜樁基礎施工垂直導管灌注樁施工

(2)地下連續(xù)墻(3)沉井基礎特點：四周有壁、下部無底、側壁下部有刃腳的筒形結構物。既是基礎，又是施工時的擋土和擋水圍堰，施工工藝也不復雜。適用范圍：上部荷載較大，結構對基礎的變位敏感，表層地基土的允許承載力不足，做擴大基礎開挖工作量大以及支撐困難，但在一定深度下有好的持力層時，采用。類型：按下沉方式分為就地制造下沉的沉井和浮運沉井；按外觀形狀分為單孔或多孔的圓形、矩形、圓端沉井及網格形。沉井下沉鋼殼沉井(4)沉箱基礎又稱氣壓沉箱基礎，以氣壓沉箱來修筑的橋梁墩臺或其它構造物的基礎。分為就地建造和岸邊建造兩種。日本明石海峽大橋（中跨1991m，主塔297m）（1）移動主塔沉箱就位（3）水下澆注混凝土（2）沉箱（4）結構的預定功能和失效四項預定功能：結構失效的幾種現象：1）破壞2）失穩(wěn)3）過大的變形不均勻沉降問題差異沉降是反映土木工程結構地基的變形特征的重要指標，指同一結構體中，相鄰的兩個基礎沉降量的差值。后果：